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INSTITUTO PILITECNICO NACIONAL
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Unidad Profesional Ticomán
Seminario de Actualización con Opción a Titulación:
Sistemas De Aviónica
Tesina
Estado del Arte de la Aviónica Modular Integrada
(IMA)
Que para obtener el Título de:
Ingeniero en Aeronáutica
Presenta:
Daniel Fernando Dueñas Muñoz
Asesores:
M en I José Alejandro Castillo Castillo
M en I Raymundo Hernández Bárcenas
Agosto 2014
iii
AGRADECIMIENTOS.
A dios.
Por haber permitido concluir mis estudios y darme la capacidad de seguir
adelante para cumplir mis objetivos.
A mis padres.
A quienes jamás voy a poder encontrar la forma de agradecer todo el esfuerzo
que hicieron por mí sin importar las circunstancias, quienes me orientaron y
guiaron a lo largo de todo este camino recorrido. Con todo mi corazón les doy
las gracias por apoyarme y estar a mi lado siempre que los necesito y por
haberme inculcado el deseo y las ganas de superarme y ser una persona
exitosa.
A mi hermano.
Por estar siempre con migo y ofrecerme su apoyo en todo momento, porque
sé que siempre voy a poder contar con el cuándo sea, le doy las gracias.
A mi novia.
Por apoyarme en las buenas y las malas durante mis estudios y estar siempre
a mi lado incondicionalmente, le doy gracias por sus consejos y por sus
palabras de aliento que siempre me ayudaron.
iv
Resumen.
La aviónica ha ido evolucionando y cambiando conforme las demandas de las
funciones de las aeronaves han sido cada vez más exigentes, además cómo el
peso, volumen y consumo de energía han influido en la aviónica de manera
drástica.
Los sistemas de aviónica anteriormente se componían de múltiples cajas
interconectadas para formar un único sistema, concepto conocido como
Aviónica Aislada el cual estaba basado en el hecho de que todas las funciones
de las aeronaves fueron desarrolladas independientemente.
La Aviónica Aislada proporciona una ventaja de función independiente, la cual
asegura una barrera natural de propagación de falla. Una función defectuosa no
es capaz de influir en cualquier otra función y por lo tanto la falla no se puede
propagar y conducir a un comportamiento erróneo en varios sistemas.
La desventaja principal en la Aviónica Aislada es la falta de flexibilidad. La falta
de interoperabilidad entre diferentes funciones de la aeronave, esta reduce su
eficiencia.
Otra desventaja es el hecho de que pequeños cambios en una función o mejora,
incluyendo nuevas funcionalidades, pueden hacer redesarrollo y recertificación
de grandes partes de una función necesaria de la aeronave.
La aviónica aislada constaba de cableado de punto a punto y conforme se
añadían más y más sistemas, la cabina se fue saturando debido a la gran
cantidad de controles e instrumentos y el peso total de la aeronave aumentaba.
Debido a estas desventajas, había una necesidad de nuevos conceptos que
direccionaran estas nuevas necesidades, dando lugar a la Aviónica Modular
Integrada (IMA), por sus siglas en inglés y la Aviónica Modular Integrada
Distribuida (DIMA), Ambos conceptos (IMA / DIMA) usan el enfoque de separar
grandes sistemas en pequeños subsistemas.
v
El nuevo enfoque llamado IMA se basa en dos principios complementarios. El
primer principio es integrar funciones de software múltiple, con posibles niveles
críticos, en un simple recurso de cómputo de aviónica para mantener el peso,
volumen y costo de la arquitectura de aviónica dentro de límites razonables.
El segundo principio es necesario para simplificar el proceso de diseño y recibir
la certificación: partición robusta y sólida.
El concepto de Aviónica Modular Integrada (Distribuida) trabaja con una
estructura modular de software y componentes de hardware que son
independientemente desarrollados y certificados. A diferencia de IMA, los
módulos IMA Distribuida están dispersos por toda la aeronave y conectados por
un sistema de comunicación.
vi
Abstract.
The avionics has been evolving and changing as the demands of the functions of
the aircraft have been increasingly demanding, in addition how the weight,
volume and power consumption have influenced in the avionics dramatically.
The avionics systems were made up of multiple boxes interconnected to form a
unique system, concept known as Avionics Federated, this concept was based in
the fact that all the functions of the aircrafts were developed independently.
The Federated Avionics provides an advantage of independent functions, which
ensures a natural barrier fault propagation. A faulty function is not able to
influence in other functions and thus the fault can not propagate and lead to
erroneous behavior in various systems.
The main disadvantage of the Federated Avionics is the lack of flexibility. The
lack of interoperability between different functions of the aircraft reduces
efficiency.
Another disadvantage is the fact that small changes in a function or
improvement, including new features, can make redevelopment and
recertification of large parts of a necessary function of the aircraft.
Federated Avionics consisted of point to point wiring and were added as more
and more systems, the cockpit was saturated due to the large number of
instruments and controls, and the total weight of the aircraft increased.
Because of these disadvantages, there was a need for new concepts routed
these new needs, resulting in the Integrated Modular Avionics (IMA), for its
acronym in English, and Distributed Integrated Modular Avionics (DIMA), this
two concepts (IMA / DIMA ) using the approach of separating large system into
smaller subsystems.
The new approach called IMA is based on two complementary principles. The
first principle is to integrate multiple software functions, with possible critical
vii
levels in a single computing resource avionics to maintain weight, volume and
cost of avionics architecture within reasonable limits.
The second principle is necessary to simplify the design process and receive
certification: sturdy and solid partition.
The concept of Distributed Integrated Modular Avionics works with a modular
structure of software and hardware components that are independently
developed and certified. Unlike IMA, DIMA modules are scattered throughout
the aircraft and connected by a communication system.
1
Índice.
ÍNDICE. .......................................................................................................................................................... 1
GLOSARIO DE ACRÓNIMOS. ........................................................................................................................... 3
GLOSARIO DE TÉRMINOS ............................................................................................................................... 4
LISTADO DE FIGURAS. .................................................................................................................................... 5
OBJETIVO. ...................................................................................................................................................... 6
INTRODUCCIÓN. ............................................................................................................................................ 7
CAPITULO 1. DESCRIPCIÓN Y ANTECEDENTES DE LA AVIÓNICA...................................................................... 8
1.1 AVIÓNICA. ...................................................................................................................................................... 8
CAPITULO 2. ARQUITECTURAS DE LA AVIÓNICA. ......................................................................................... 14
2.1 ARQUITECTURAS DE LA AVIÓNICA. ..................................................................................................................... 14
2.2 AVIÓNICA AISLADA “FEDERATED AVIONICS”........................................................................................................ 15
2.3 ARQUITECTURAS AISLADAS O DEDICADAS “FEDERATED ARCHITECTURE” ................................................................... 17
FIGURA 6. AIRBUS A330. .............................................................................................................................. 18
ALGUNOS DE LOS LRUS MONTADOS EN EL COMPARTIMENTO DE AVIÓNICA DEL A330. .............................. 18
FIGURA7. EJEMPLO DE UNA ARQUITECTURA AISLADA. ............................................................................... 19
CAPITULO 3. AVIÓNICA MODULAR INTEGRADA........................................................................................... 20
3.1 MOTIVACIÓN Y OBJETIVOS DE IMA. .................................................................................................................. 20
3.2 ARQUITECTURAS IMA. .................................................................................................................................... 21
3.3 NUEVOS CAMBIOS PARA EL FUTURO DE LAS ARQUITECTURAS DE AVIÓNICA. .............................................................. 22
3.4 ARQUITECTURA ABIERTA DE UN SISTEMA DE AVIÓNICA MODULAR INTEGRADA. ......................................................... 23
3.5 LOS ROLES DE DESARROLLO SISTEMA IMA. ........................................................................................................ 26
3.6 PROVEEDOR DE PLATAFORMA Y MÓDULO. .......................................................................................................... 27
3.7 ARQUITECTURAS DE LOS SISTEMAS IMA. ............................................................................................................ 27
3.8 AVIÓNICA MODULAR INTEGRADA. ..................................................................................................................... 28
3.9 ELEMENTOS DE LOS SISTEMAS IMA. .................................................................................................................. 32
CAPITULO 4. CARACTERÍSTICAS DE LA AVIÓNICA MODULAR INTEGRADA. .................................................. 33
4.1 SIGUIENTE GENERACIÓN DE PLATAFORMAS DE AVIÓNICA. ....................................................................................... 33
4.2 HACIA LA CAPACIDAD DE RECONFIGURACIÓN. ...................................................................................................... 36
4.3 HACIA UNA ARQUITECTURA RECONFIGURABLE. .................................................................................................... 37
4.4 LIMITACIONES Y PRINCIPIOS DE RECONFIGURACIÓN. .............................................................................................. 38
4.5 CPUS MULTI-NÚCLEO. ............................................................................................................................... 39
4.6 DESCRIPCIÓN Y PRINCIPIOS FUNDAMENTALES. ..................................................................................................... 40
4.7 GENERALIDADES ARINC 653. .......................................................................................................................... 40
4.8 COMPONENTES DE HARDWARE. ........................................................................................................................ 41
2
4.9 PROGRAMACIÓN. ........................................................................................................................................... 42
4.10 PARTICIÓN DEL MÓDULO DE PROCESAMIENTO. ................................................................................................. 43
4.11 COMUNICACIÓN DE PARTICIÓN. ...................................................................................................................... 43
4.12 PARTICIÓN DE RECURSOS DE COMUNICACIÓN. .................................................................................................... 44
4.13 MONITOREO DE ESTADO............................................................................................................................... 45
4.14 ARQUITECTURAS ALTERNAS. ......................................................................................................................... 46
4.15 ETAPAS DE INTEGRACIÓN. ............................................................................................................................. 46
4.16 CERTIFICACIÓN MODULAR. ............................................................................................................................ 48
4.17 IMA EN EL A380. ....................................................................................................................................... 49
4.18 INTEGRACIÓN AMI EN EL B787. ..................................................................................................................... 54
CAPITULO 5. AVIÓNICA MODULAR INTEGRADA DISTRIBUIDA. .................................................................... 57
5.1 AVIÓNICA MODULAR INTEGRADA (DISTRIBUIDA). ................................................................................................ 57
5.2 VENTAJAS AVIÓNICA MODULAR INTEGRADA DISTRIBUIDA (DIMA). ........................................................................ 58
5.3 SISTEMA DE COMUNICACIÓN. ........................................................................................................................... 60
CONCLUSIÓN. .............................................................................................................................................. 63
REFERENCIAS. .............................................................................................................................................. 64
3
Glosario de Acrónimos.
IMA - Aviónica Modular Integrada (Por sus siglas en ingles).
LRU - Unidad Reemplazable en línea (Por sus siglas en ingles).
RTCA - Comisión Radiotécnica para la Aeronáutica (Por sus siglas en ingles).
EUROCAE - Organización Europea para Equipo de Aviación Civil (Por sus siglas
en ingles).
OS - Sistema Operativo (Por sus siglas en ingles).
RTOS -Sistema Operativo en Tiempo Real (Por sus siglas en ingles).
APEX - Avionics Full Duplex Ethernet.
I/O – Entrada/Salida (Por sus siglas en ingles).
DIMA - Aviónica Modular Integrada Distribuida (Por sus siglas en ingles).
MAF - Período de Tiempo Mayor (Por sus siglas en ingles).
VL – Enlaces Virtuales (Por sus siglas en ingles).
BAG - Espacio de Asignación de Banda Ancha (Por sus siglas en ingles).
CPM - Módulos de Procesamiento de Computo (Por sus siglas en ingles).
MEA - Arquitectura Más Eléctrica (Por sus siglas en ingles).
API – Advanced Passenger Information.
TCAS - Sistema de Alerta de Tráfico y Evasión de Colisión.
FMS – Sistema de Gestión de Vuelo (Por sus siglas en ingles).
PFD – Pantalla de Vuelo primaria (Por sus siglas en ingles).
AHRS - Attitude and Heading Reference System
4
Glosario de Términos
FederatedAvionics. Aviónica Aislada, que no comparte datos con otros
sistemas.
Fly-by-Wire. Sistema que reemplaza el control de vuelo manual convencional
de un avión por un control electrónico.
Design Assurance Level. Diferentes niveles críticos de seguridad de diseño en
Aviónica.
Aircraft Communications and Addressing ReportingSystem
Es una red de comunicaciones aire/tierra; se usa parara transmitir o recibir y
da tonos de forma automática o manual, dedicado a mantenimiento y
operaciones comerciales.
Terrain Awareness andWarning SystemSistema de alerta y alarma de
proximidad al terreno.
5
Listado de Figuras.
FIGURA 1. SISTEMAS INDEPENDIENTES. ......................................................................................................... 9
FIGURA 2. EJEMPLO DE CABINA DE PILOTOS DE AERONAVE CON SISTEMAS INDEPENDIENTES.................... 10
FIGURA 3. SISTEMAS INTERCONECTADOS. ................................................................................................... 11
FIGURA 4. CABINA DE PILOTOS DEL AIRBUS A340-300 ................................................................................. 12
FIGURA 5. DISEÑO DE UNA ARQUITECTURA AISLADA. ................................................................................. 16
FIGURA 6. AIRBUS A330. .............................................................................................................................. 18
FIGURA7. EJEMPLO DE UNA ARQUITECTURA AISLADA. ............................................................................... 19
FIGURA 8. EJEMPLO DE UNA ARQUITECTURA IMA. ...................................................................................... 22
FIGURA 9. PLATAFORMA GENÉRICA ABIERTA DE UN SISTEMA IMA COMPARTIDA A UNA APLICACIÓN. ...... 23
FIGURA 10. ARQUITECTURA DE UN COMPUTADOR DE AVIÓNICA................................................................ 24
FIGURA 11. F-22 RAPTOR. ........................................................................................................................... 26
FIGURA 12. DISEÑO DE UNA ARQUITECTURA IMA “INTEGRATED MODULAR AVIONCS”. ............................ 29
FIGURA 13.DASSAULT FALCON 900. ............................................................................................................. 31
FIGURA 14. BOEING 787............................................................................................................................... 35
FIGURA15. EJEMPLO DE RECONFIGURACIÓN. .............................................................................................. 37
FIGURA 16. ARQUITECTURA BÁSICA ARINC 653. .......................................................................................... 41
FIGURA 17. ARQUITECTURA TÍPICA IMA. ..................................................................................................... 45
FIGURA 18. VISTA DE INTEGRACIÓN DE LAS ETAPAS DE DESARROLLO DE UN SISTEMA IMA. ....................... 47
FIGURA 19. RECEPTORES MULTIMODO ROCKWELL COLLINS(MMR). ............................................................ 49
FIGURA 20. FMC (FLIGHT WARNING COMPUTER) DEL A400M ..................................................................... 50
FIGURA 21. COMPONENTES DE AVIÓNICA DEL AIRBUS A380 ....................................................................... 54
FIGURA 22. EJEMPLO DE AERONAVE MÁS AVANZADA EN CUANTO IMA. .................................................... 57
FIGURA 23. COMPARTIMENTO DE AVIÓNICA DEL BOEING 777. ................................................................... 61
6
Aviónica Modular Integrada.
Objetivo.
Describir la Aviónica Modular Integrada IMA, mostrando las diferencias entre
esta y la aviónica dedicada “Federated Avionics”, la cual fue su antecesora,
denotando los cambios durante su evolución hasta el presente y la tendencia
hacia el futuro.
7
Introducción.
Hoy en día la Aviónica Modular Integrada (IMA) está siendo aplicada a
aeronaves de nueva generación tanto comerciales como militares, pero para
que se pudiera llegar a la Aviónica Modular Integrada de la actualidad, se tuvo
que pasar por un largo camino, iniciando con los primeros dispositivos de
aviónica que han estado aplicados a las aeronaves, como los radios de
comunicación y navegación hace algunos 70 años atrás. Cuarenta años después
controles electrónicos analógicos y digitales empezaron a reemplazar funciones
mecánicas de las aeronaves. Desde estos años, las demandas de las compañías
aéreas en cuanto a funcionalidad más inteligente en sistemas de aeronaves
modernas empujaron hacia el uso exponencial de la aviónica. Finalmente el
clásico concepto de “una función = una computadora” ya no podía continuar.
A principios de los años noventa se desarrollaron conceptos en donde las
funciones de software múltiple con diferentes niveles críticos, eran integradas
en un simple dispositivo de aviónica para mantener el volumen, peso, consumo
de energía y costos de aviónica dentro de límites razonables. Sin embargo, la
integración multifuncional en un procesador simple conduce a la propagación de
fallos, con significantes cambios en la fiabilidad de los controles y altos costos
de mantenimiento. Las modificaciones y mejoras se convirtieron en una carga
muy grande.
El nuevo concepto llamado “Aviónica Modular Integrada”, presentado por el año
de 1995, trajo la solución.
El concepto IMA probó cumplir con el desempeño, los requisitos de fiabilidad y
flexibilidad de los sistemas de aviónica altamente integradas tanto como se
desee. Hoy en día las unidades de IMA pueden ser proporcionadas por
diferentes proveedores de aviónica.
8
CAPITULO 1. Descripción y antecedentes de la Aviónica.
1.1 Aviónica.
Es la electrónica aeronáutica, implica equipos destinados para su uso en el aire,
siendo la piedra angular de los aviones modernos.
La aviónica es la unión de la aviación con la electrónica y la informática que
abarca:
- Radios y sistemas de comunicaciones (UHF, VHF,HF).
- Sistemas de navegación (TACAS, VOR, GPS ).
- Radares (anti-colisión, meteorología, o de detección para los aviones
militares).
- Piloto automático.
- Sistema de deshielo.
- Generación y distribución eléctrica.
- Instrumentos de navegación de controles de los motores, y de
parámetros de vuelto, etc.
Después de la estructura y los motores; la aviónica es el elemento de mayor
costo económico de la aeronave, pero bien vale la pena cada centavo del precio.
Los sistemas de aviónica representan un crecimiento en gran parte de los
costos de las aeronaves: 30% a 35% en las aeronaves civiles y hasta un 45%
en las militares. Estos sistemas son responsables de muchas aplicaciones,
como: navegación, orientación, estabilidad, manejo de combustible;
comunicaciones aire tierra; entretenimiento de pasajeros etc. Aunque su
complejidad está creciendo continuamente.[1]
En aviónica un bus de datos es utilizado para proporcionar un medio de
intercambio de información entre varios sistemas y subsistemas.
Entre 1950 y 1967 la aviónica trabajaba como sistemas independientes
“Federated Avionics” como se puede apreciar en la Figura 1 siguiente. Además
9
que la navegación, comunicación, controles de vuelo e instrumentación eran
sistemas puramente analógicos.
Figura 1. Sistemas Independientes.
Estos sistemas se componían de múltiples cajas interconectadas para formar un
único sistema, con cableado de punto a punto. Las señales consistían
principalmente de voltajes analógicos, señales de sincronismo, y contactos de
relé / interruptor.
A medida que se añadían más y más sistemas, la cabina se fue saturando
debido a la gran cantidad de controles e instrumentos, y el peso total de la
aeronave aumentaba, como se observa en la Figura 2.
A finales de los 60´s y principios de los 70´s era necesario el intercambio de
información entre varios sistemas para reducir el número de LRUs para cada
uno de los sistemas.
10
Figura 2. Ejemplo de cabina de pilotos de aeronave con sistemas independientes.
Un único sensor que proporciona información de rumbo podría proporcionar
también información para el sistema de navegación, sistema de control de vuelo
e instrumentos de indicación para los pilotos.
Pero la tecnología de aviónica seguía siendo básicamente analógica y las
señales de interconexión se convirtieron en un " hormiguero" por la gran
cantidad de cables y conectores, ya que se utilizaba cableado de punto a punto.
Ver Figura 3.
11
Figura 3. Sistemas Interconectados.
A principios de los 70´s las aerolíneas reconocieron la ventaja potencial del
equipo digital y habían tres nuevas aeronaves de transporte en el horizonte: el
A310 de Airbus y los B757 yB767 de Boeing.
Las aerolíneas junto con los fabricantes de aeronaves y equipos establecieron
una meta, el uso en todos los equipos de aviónica con tecnología digital.
Las cabinas de aeronaves comerciales han sufrido un cambio significativo en las
últimas décadas en términos de características, funciones y equipos. Las
aerolíneas usan las cabinas de sus aeronaves como una representación de su
imagen de marca y obtienen patrocinios proporcionando características
competitivas, confort y mejor ambiente en el interior.
La electrónica de la cabina de la aeronave incluye el monitoreo y control de un
gran número de equipos y subsistemas energizados eléctricamente e
interconectados.
12
Para ser competitivas, las aerolíneas están adoptando las últimas tecnologías e
invirtiendo en la evolución de la nueva generación de cabinas de aeronaves.
Esto requiere una gran cantidad de servicios de ingeniería y el apoyo de una
amplia red de organizaciones proveedoras, pero el método de interconexión es
primordial para evitar un mayor número de cables recorriendo toda la cabina de
pasajeros, como se puede observar en la Figura 4.
Figura 4. Cabina de pilotos del Airbus A340-300
Hoy en día Los sistemas de aviónica avanzados pueden realizar
automáticamente muchas tareas que los pilotos y navegantes anteriormente
hacían a mano. Por ejemplo, la navegación RNAV o el sistema de gestión de
vuelo (FMS) acepta una lista de puntos que definen la ruta del vuelo, y
automáticamente realiza la mayor parte del curso, cálculos de distancia, tiempo
y combustible. Una vez en ruta, el FMS o unidad RNAV pueden rastrear
13
continuamente la posición de la aeronave con respecto a la ruta de vuelo, y
mostrar el curso, el tiempo, y la distancia restante para cada punto a lo largo de
la ruta prevista. Un piloto automático es capaz de dirigir automáticamente el
avión a lo largo de la ruta que se ha introducido en el FMS o sistema RNAV. La
aviónica avanzada realiza muchas funciones y reemplaza el piloto en la mayoría
de los procedimientos, así también la comunicación o el compartir datos entre
sistemas es indispensable en la aviónica de hoy en día. Los instrumentos de
vuelo primarios pueden ser mostrados simultáneamente en un monitor de video
razonablemente fácil de leer, al igual que las pantallas planas en las
computadoras portátiles. Estas pantallas se denominan pantallas primarias de
vuelo (PFDs por sus siglas en ingles). Estas pantallas reciben datos de sensores
para determinar el rumbo con referencia al norte magnético. La actitud
(cabeceo y balanceo) de la aeronave es detectada por el sistema de referencia
de actitud y rumbo (AHRS por sus siglas en ingles) y se muestra como la actitud
del giroscopio debería estar en la instrumentación convencional. Los valores de
temperatura, altitud y velocidad, se detectan en la computadora de datos del
aire (ADC por sus siglas en ingles) y son presentados en el PFD en escalas
verticales o porciones de círculos.
La pantalla multifunción (MFD) a menudo puede visualizar la misma información
que el PFD y puede ser utilizado como una copia de respaldo de la PFD. Por lo
general, el MFD se utiliza para el tráfico, la selección de ruta, el clima y el
terreno. Sin embargo, algunos PFD también muestran estas mismas pantallas,
pero en una vista más pequeña debido a las zonas de instrumentos de vuelo
primarios ya utilizados en la pantalla.
Esto es un claro ejemplo de cómo los sistemas comparten información necesaria
en las aeronaves actuales.[3]
14
CAPITULO 2. Arquitecturas de la Aviónica.
2.1 Arquitecturas de la Aviónica.
Esta sección describe la manera en que los sistemas de aviónica están
diseñados y evalúa un nuevo enfoque para el diseño de la arquitectura.
Desde los primeros desarrollos de aeronaves, funciones simples se desarrollaron
independientemente para proporcionar la funcionalidad deseada. En cuanto a
los recursos electrónicos, un enfoque ampliamente usado era que cada función
tuviera su propio hardware e interfaces.
Para ilustrar este concepto, vamos a tomar la función de piloto automático. Este
tiene sus propios sensores, actuadores, fuentes computacionales y pantallas, y
no comparten datos con ninguna otra función. El desarrollo de tal función es
más o menos independiente y basada en el hecho de que no comparte datos,
contiene una barrera natural de propagación de datos. Esto significa que en
caso de propagación de fallas otra función no es influenciada, además el piloto
automático usa un enfoque tolerante a las fallas interno para proporcionar un
adecuado servicio.
El punto importante en este ejemplo es la barrera de propagación de fallas
basada en el hardware e interfaces dedicadas. Este enfoque tiene ventajas por
un lado, pero también conduce a un conjunto de diferentes computadores del
sistema en una aeronave los cuales producen costos, peso y consumo de
potencia.
Otro concepto que es usado ya en el dominio aeroespacial es el modelo de
Sistemas de Aviónica Modular Integrada (IMA). Estos sistemas usan un enfoque
diferente, los cuales comparten recursos computacionales para varias funciones.
El reto es prevenir la propagación de fallas entre las funciones que usan los
recursos de un mismo hardware, la cual es llamada partición. Partición puede
ser considerada como separación de memoria, para dividir funciones dentro de
una memoria principal y una red partición para separar módulos. La ventaja es
que menos hardware es necesario y las funciones operan de una manera más
15
integrada. Esto permite compartir datos más convenientemente,
proporcionando una reducción de módulos de interface.
Un concepto actual de discusión, el cual es una combinación de ambos diseños
de arquitecturas, es llamado Aviónica Modular Integrada Distribuida (DIMA).
Este concepto describe una arquitectura integrada pero también distribuida que
comparte las ventajas pero también las desventajas de ambos conceptos.
Basado en la distribución, la barrera de propagación de falla es lograda por
separación física, pero menos hardware es necesario ya que se comparten
recursos computacionales e interfaces. Por otro lado, esto causa muchas
complicaciones, como la comunicación entre nodos distribuidos.
Una ventaja de ambos tipos de arquitecturas integradas es la reducción del
trabajo para la certificación, causado por la evidencia de certificación modular y
la posibilidad de reusar estos recursos.
2.2 Aviónica Aislada “Federated Avionics”.
La Aviónica Aislada es actualmente un concepto extensamente usado en el
dominio aeroespacial desarrollado en los 70´s. Este concepto está basado en el
hecho de que todas las funciones de las aeronaves fueron desarrolladas
independientemente. Estas funciones se desarrollaron aún más y fueron
añadidas nuevas funcionalidades que también utilizaban su propio hardware
dedicado.
Basado en el incremento de complejidad de las funciones de la aeronave, como
lo es en un avión controlado fly-by-wire, la comunicación entre subsistemas de
las funciones de la aeronave, fue introducida con relativamente poca interacción
entre funciones separadas para reducir la influencia entre ellos. Esto
proporciona una ventaja de función independiente, la cual asegura una barrera
natural de propagación de falla. Una función defectuosa no es capaz de influir
en cualquier otra función y por lo tanto la falla no se puede propagar y conducir
16
a un comportamiento erróneo en varios sistemas. Una ilustración sistemática
del diseño de la arquitectura aislada se muestra a continuación.
Figura 5. Diseño de una Arquitectura Aislada.
La tolerancia de falla es proporcionada por redundancia activa que es un
enfoque común para los sistemas de seguridad críticos, demanda un hardware
dedicado y en caso de funciones distribuidas de la aeronave, canales de
comunicación dedicados son necesarios.
Un punto importante es que cada sistema necesita su propia interface para sus
sensores, actuadores, instrumentos y controles el cual conduce a un ambiente
complejo para el operador y puede, por otra parte, conducir a la réplica de un
hardware para varias funciones innecesarias, este es un problema en el dominio
17
aeroespacial, donde los costos, espacio y peso, son principales impulsores del
diseño. Por lo tanto, la Aviónica Aislada es una manera costosa de asignar
funciones de aeronaves, incluso el control de la complejidad es más fácil,
comparado con otros conceptos, porque los diferentes sistemas no interactúan
entre ellos.
La desventaja principal en este concepto es la falta de flexibilidad. La falta de
interoperabilidad entre diferentes funciones de la aeronave reduce su eficiencia.
La interacción entre tales funciones como el sistema de control de vuelo, piloto
automático y el sistema de navegación, por ejemplo, permiten reducir los
recursos totales de informática e interface y proporcionan funciones adicionales
como el diagnóstico global, controles de vuelo avanzados y la optimización en el
consumo de combustible.
Otra desventaja es el hecho de que pequeños cambios en una función o mejora,
incluyendo nuevas funcionalidades, pueden hacer redesarrollo y recertificación
de grandes partes de una función necesaria de la aeronave. Aunque la
recertificación en enfoque aislado es más fácil que en un enfoque modular,
nuevos desarrollos y certificación de módulos individuales necesitan menos
trabajo si el sistema ya está establecido. Este es un problema mayor
considerando el tiempo de vida operacional de una aeronave, que es
aproximadamente 30 años, y la rápida evolución en el campo de la electrónica.
Debido a estas desventajas, había una necesidad de nuevos conceptos que
direccionaran estas nuevas necesidades.
2.3 Arquitecturas Aisladas o Dedicadas “Federated Architecture”
Los primeros dispositivos de aviónica en las aeronaves fueron los radios de
comunicación en los años 40. Desde ese tiempo los controles analógicos y
electrónicos digitales empezaron a sustituir funciones mecánicas y equipo de las
aeronaves. Hasta los 90’s la arquitectura global de los sistemas de aviónica
18
había sido diseñada con el principio de la arquitectura aislada: una función igual
a una computadora.
Figura 6. Airbus A330.
Algunos de los LRUs montados en el compartimento de aviónica del A330.
19
A principio de los 90’s, algunas de las aeronaves civiles, como el A320 y el
A330 estuvieron basadas en el principio de la arquitectura aislada, pero el
concepto de una función igual a una computadora ya no podía ser mantenida
más tiempo, debido a que las aerolíneas demandaban más funciones en el
avión. Por esta razón se llegó al límite de este concepto cuando el peso y el
volumen dedicado a los subsistemas llegara a las restricciones causadas por la
misma la aeronave. Otro inconveniente fue el gran número de recursos que
aumentaba significativamente, los costos de mantenimiento de las líneas aéreas
en todo el mundo; repuestos informáticos; aprovisionamiento y manejo. Así que
se necesitaba un nuevo enfoque.
Figura7. Ejemplo de una Arquitectura Aislada.
En la figura se muestra un sistema de tren de aterrizaje, que es conectado en
una arquitectura aislada. Se compone de una interfaz de usuario definida por
una unidad de procesamiento de tren de aterrizaje, de visualización y de
control. Esta interfaz de usuario se utiliza para la retroalimentación obtenida de
un sensor. Estos se desarrollan como tres unidades separadas conectadas por
canales de comunicación dedicados. Aquí, en este ejemplo, hay tres unidades
centrales de procesamiento (CPU), cinco módulos de interfaz I/O y cuatro
canales físicos de comunicación.
20
La desventaja de este tipo de tecnología es el hecho de que cada caja tiene una
función específica, con el hardware y el software desarrollado específicamente
para dicha función. Cada sistema está más o menos desarrollado desde cero,
con la falta de tecnología de reutilización. Sobre todo los componentes de
hardware sufren de problemas de obsolescencia. Otra desventaja es el aumento
de peso y consumo de energía debido al hecho de que cada unidad lleva la
carga de la protección del medio ambiente y los problemas de disipación de
energía inherentes. Por otra parte los sistemas aislados implican una forma muy
poco eficiente de manejar las piezas de cambio ya que los sistemas no son
intercambiables. También en una arquitectura aislada los datos no se
comparten entre diversos sistemas, esto implica canales de comunicación
dedicados y también aumenta el peso de la aeronave que resulta en más
consumo de energía.
CAPITULO 3. Aviónica Modular Integrada.
3.1 Motivación y Objetivos de IMA.
Los costos, peso y seguridad probablemente son las características más
importantes del desarrollo aeroespacial. Un gran esfuerzo de ingeniería es
realizado para reducir los 2 primeros y para mantener un nivel de seguridad o
incluso incrementarlo. Además los componentes electrónicos y sus
características se incrementan cada vez más y la complejidad de tales sistemas
también, lo cual conduce a desarrollar problemas causados por diseños muy
complejos.
En los aviones actuales existen diferentes sistemas, como de entretenimiento,
potencia o sistemas de control. Algunos de ellos son críticos para la seguridad y
muchos de ellos necesitan compartir datos con otros sistemas. Para un
desarrollo eficiente de este tipo de sistemas, por un lado, y para manejarlos en
términos de capacidad de memoria, por otro lado, se necesita algún tipo de
abstracción. Por lo tanto tales sistemas necesitan ser separados dentro de
subsistemas para reducir la complejidad total.
21
Varios conceptos nuevos, están actualmente bajo discusión para dar un cambio
al desarrollo de sistemas electrónicos en el dominio aeroespacial. Entre ellos
está el concepto de Aviónica Modular Integrada Distribuida (Integrated Modular
Avionics IMA/DIMA), la cual trata de incrementar la eficiencia mediante la
reducción de hardware y certificación modular, así como también trata de
reducir los costos de desarrollo minimizando los esfuerzos de certificación.
Ambos conceptos (IMA / DIMA) usan el enfoque de separar grandes sistemas en
pequeños subsistemas.
3.2 Arquitecturas IMA.
El nuevo enfoque llamado IMA se basa en dos principios complementarios. El
primer principio es integrar funciones de software múltiple, con posibles niveles
críticos, en un simple recurso de cómputo de aviónica para mantener el peso,
volumen y costo de la arquitectura de aviónica dentro de límites razonables.
El segundo principio es necesario para simplificar el proceso de diseño y recibir
la certificación: partición robusta y sólida.
22
Figura 8. Ejemplo de una arquitectura IMA.
La figura nos muestra la implementación del sistema de tren de aterrizaje usando una arquitectura cerrada IMA, que tiene un conjunto optimizado de recursos de cómputo compartidos. También utiliza menos recursos físicos, en comparación con el sistema aislado que aloja un conjunto equivalente de funciones. La cantidad de unidades centrales de procesamiento (CPU) se reduce de tres a uno. Finalmente el número de
canales físicos de comunicación se reduce de cuatro a uno.
3.3 Nuevos Cambios para El Futuro de Las arquitecturas de
Aviónica.
La implementación de los sistemas de aviónica de los aviones modernos civiles
y militares, tiende a confiar en una arquitectura IMA en lugar de la arquitectura
aislada clásica. En una arquitectura aislada, cada sistema tiene sus recursos de
aviónica privados, mientras que en la arquitectura IMA los recursos de aviónica
pueden ser compartidos por varios sistemas. Los tipos de recursos de aviónica
generalmente considerados son computadoras con sistemas operativos en
tiempo real o redes de área local con protocolos de comunicación en tiempo
real.
23
3.4 Arquitectura Abierta de un Sistema de Aviónica Modular
Integrada.
La evolución de la arquitectura de los sistemas de aviónica es hacia equipos de
aviónica de uso general, que se definen como plataformas. Una plataforma en sí
misma no realiza ninguna función de aviónica, pero proporciona recursos de
comunicación, computación y memoria para las aplicaciones de aviónica. Esto
es algo similar a un PC de escritorio que proporciona un recurso requerido
(servicios de hardware, comunicaciones, memoria, sistema operativo) para las
aplicaciones.
Figura 9. Plataforma Genérica Abierta de un Sistema IMA compartida a una aplicación.
La plataforma cuenta con un procesador genérico con alojamiento de varios
sistemas y diferente funcionalidad. El software principal dentro de la plataforma
proporciona particiones de las funciones, que pueden ser distribuidas a través
de la arquitectura.
Las plataformas son módulos digitales comunes con interfaces de entrada/salida
estándar. La comunicación de datos se realiza a través de redes como AFDX
(Avionics Full Duplex Switched Ethernet). Todos los datos de los sensores y
24
otros equipos son trasladados desde/hacia la red de datos estándar. La red está
configurada para en rutar la información en cualquier lugar dentro de la
arquitectura, lo que facilita la integración de sistemas.
Cada equipo de aviónica tiene una interfaz de sistema abierto estandarizado,
que se define como una interfaz de programación de aplicaciones (API). Esta
API es un estándar definido como ARINC653, figura .
Una plataforma puede albergar varias aplicaciones para aviones, en su mayoría
de software, pero también podría incluir el hardware específico para una
aplicación.
Las aplicaciones de software están completamente aisladas por mecanismos de
partición. La partición permite el intercambio seguro de los recursos de
procesamiento (tiempo), memoria (espacio) y medios de comunicación (entrada
/ salida).
Figura 10. Arquitectura de un Computador de Aviónica.
25
El computador de una plataforma de aviónica actúa como una construcción
estándar de bloques y son interoperables, además es posible mezclar
componentes de distintos proveedores, lo que aumenta la competitividad. Más
costos de ingeniería estarán en el nivel de aplicación donde se encuentra la
funcionalidad más compleja. [7]
Sistemas abiertos de aviónica modular ofrecen un diseño flexible que puede ser
cambiado y optimizado en una etapa tardía durante el desarrollo. las
plataformas contienen tablas de configuración para definir la asignación de
recursos de aplicaciones y la infraestructura de comunicación, mientras se
unifica la estructura de la red de módulos, es obligatorio el uso de una API
común para acceder a los recursos de hardware y de red, simplificando así la
integración de hardware y software, como los módulos a menudo comparten
una extensa parte de su arquitectura de hardware y software, el mantenimiento
de los módulos es más fácil que las arquitecturas anteriores. Las aplicaciones
pueden ser reconfiguradas en módulos de repuesto si el módulo que las apoya
es detectado defectuoso durante las operaciones, aumentando la
responsabilidad general de las funciones de aviónica.
Ejemplos de Aeronaves que utilizan plataforma IMA.
1. Rafale: Arquitectura Tehals IMA se llama MDPU (Unidad de
Procesamiento de Datos Modular).
2. F-22 Raptor. Figura 11.
3. Airbus A380.
4. Boeing 787: la arquitectura de sistemas de GE Aviation (anteriormente
Smiths Aerospace) IMA se llama Common Core System.
5. Dassault Falcon 900, Falcon 2000 y Falcon 7X: arquitectura IMA de
Honeywell se llama MAU (Modular Avionics Units).
26
Figura 11. F-22 Raptor. Common Integrated Processor (CIP), estas unidades procesan toda la información para armas y
sensores en el F 22 Raptor.
3.5 Los Roles de Desarrollo Sistema IMA.
La idea fundamental detrás de un sistema IMA es que se compone de un
conjunto de módulos y componentes que han de ser fusionados en un sistema
el cual proporciona ciertas funciones al avión. Esto proporciona un mecanismo
para el desarrollo de partes del sistema por separado y luego integrarlas en un
sistema funcionando. Con frecuencia, los módulos y componentes son
desarrollados por diferentes empresas asociadas u organizaciones con roles
definidos. DO-297 ha definido los siguientes grupos de interés.
- Proveedores de plataformas y módulos.
- Proveedor de aplicaciones.
27
- Integrador de sistema IMA.
- Certificación del solicitante.
- Organización de mantenimiento.
- Autoridad de certificación.[2]
3.6 Proveedor de Plataforma y Módulo.
El proveedor de plataforma proporciona los recursos de hardware de
procesamiento y el software base, tales como el núcleo del sistema operativo
(OS) y las funciones principales de servicio del módulo de plataforma. El núcleo
del software también incluye el software de interfaz que une los componentes
de hardware con el software principal. El proveedor de la plataforma deberá
publicar la garantía del nivel de desarrollo del sistema, los niveles de garantía
de diseño de hardware electrónico, y los niveles de software con el que se ha
desarrollado el sistema IMA.
Es responsabilidad del integrador de sistema IMA el asegurarse que los
elementos de software, hardware compartido y recursos para la plataforma
encuentren los niveles más altos de disponibilidad, seguridad e integridad para
el sistema.[2]
3.7 Arquitecturas de los Sistemas IMA.
Varias arquitecturas pueden ser usadas en la implementación de los sistemas
IMA. La mayoría son propias y sus especificaciones no son publicadas. Esto hace
que sea difícil de discutir los detalles de las arquitecturas. ARINC 653 es una
especificación para la interfaz de programación de aplicaciones, que soporta una
arquitectura de sistema IMA. El documento ARINC es publicado, y describe
muchas características que podrían ser utilizadas en la implementación de un
sistema IMA. [2]
28
3.8 Aviónica Modular Integrada.
Basada en la evolución tecnológica de software y la electrónica, nuevas
funciones son desarrolladas para los aviones. Estas funciones proporcionan
nuevas capacidades pero también incrementan la complejidad. Para ser capaz
de manejar este incremento de requisitos un nuevo enfoque era necesario. Hoy
en día los desarrollos aeroespaciales son llamados Arquitectura Mas Eléctrica
“More Electric Architecture” (MEA). El objetivo de estos enfoques es tener una
arquitectura de aviónica completamente conectada y modular llamada Aviónica
Modular Integrada (IMA). IMA apoya el uso de plataformas informáticas de alto
rendimiento. Estas plataformas son capaces de almacenar múltiples aplicaciones
en un simple procesador o en procesadores distribuidos conectados por un
sistema de comunicación.
Una ilustración esquemática del diseño de arquitectura IMA se muestra a
continuación.
29
Figura 12. Diseño de una arquitectura IMA “Integrated Modular Avioncs”.
La definición de IMA que es dada por DO-297.Da un panorama de que es y
cómo es usada.
IMA es un conjunto compartido de recursos de hardware y software flexibles,
reusables e interoperables que cuando son integrados forman una plataforma
que suministra servicios diseñados y verificados para un conjunto de
requerimientos de seguridad y rendimiento, además almacenan aplicaciones
para realizar diversas funciones de la aeronave.
30
Las ventajas de IMA están incluidas en la siguiente definición:
Flexibilidad: Permite distribuir funciones en varios recursos
computacionales. Por lo tanto esto es posible colocar la función en su
mejor posición natural. Esto significa que puede estar al lado de sus
interfaces como sensores y actuadores.
Además basado en el enfoque modular, un sistema puede estar
compuesto por varios módulos que facilitan la flexibilidad del producto.
Los costos de certificación son una parte importante de los costos del
desarrollo de las funciones de la aeronave. IMA ofrece el reúso de
módulos y por lo tanto la evidencia de certificación. Además el trabajo
total del desarrollo es significativamente reducido si los módulos son
usados más de una vez.
Interoperabilidad: El uso de una arquitectura permite el intercambio de
recursos informáticos. Además, esto maneja el intercambio de datos
entre las funciones de la aeronave, evitando la necesidad de conexiones
directas a todas las interfaces de sus sistemas. El beneficio de esto es la
reducción de sistemas electrónicos por aeronave que eliminan peso y
volumen de los sistemas y equipo. Además, es posible un diagnóstico
avanzado para todos los subsistemas.
Otra propiedad importante está indicada en la definición, que es la capacidad de
construir una plataforma por medio de la integración de hardware y software.
Esta plataforma tiene que proporcionar un ambiente compartido para múltiples
aplicaciones. Por lo tanto, la plataforma necesita tener un mecanismo de
protección como particionamiento robusto. Además la plataforma debe consistir
de una red tolerante a fallas para soportar la seguridad de funciones
distribuidas críticas.
Otros aspectos que deben ser considerados son las demandas de la industria
aeroespacial, donde el integrador de sistemas y el desarrollador de la aplicación
pueden ser partes diferentes. En este caso, la propiedad intelectual debe ser
protegida sin causar ningún problema para la integración.
31
Incluso ir un paso más allá, factores económicos para sistemas aeroespaciales
son el mantenimiento y la capacidad de mejora. Estos requisitos demandan una
rápida posibilidad de mejora en cuanto a costo efectividad se refiere y maneras
de introducir nuevas funciones operacionales que también se exigen para la
plataforma. Además, diagnósticos continuos son necesarios para apoyar la
detección de fallas y el mantenimiento y así prevenir el tiempo de inactividad
no programado.
Basados en la definición y los puntos tratados anteriormente, hay varios
requisitos para una plataforma IMA que tiene diferentes orígenes y proporciona
muchos desafíos. Un enfoque llamado DIMA está actualmente bajo discusión en
la comunidad aeroespacial. Este trata con aspectos como seguridad crítica y
comunicación segura, integración distribuida, partición y distribución física,
además de las ya mencionadas propiedades de IMA como flexibilidad,
reusabilidad e interoperabilidad.
Figura 13.Dassault Falcon 900.
32
3.9 Elementos de Los Sistemas IMA.
En el estudio del tema del sistema IMA, se hizo evidente que hay cuatro
elementos clave:
Arquitectura.
Funcional.
Comportamiento.
Rendimiento.
El elemento arquitectónico se discutió previamente en la sección 3.
Funcional.
Las funciones incorporadas en el sistema IMA deben utilizar la guía de ARP 4754
y 4761, donde se les asigna el análisis funcional de peligros, evaluación
preliminar de la seguridad del sistema y la asignación de estas funciones al
hardware y software. Una vez que estas asignaciones están en su lugar, el
sistema IMA, incluyendo el RTOS, debe considerar cuidadosamente todos los
modos de operación, tales como inicio, rodaje, despegue, ascenso, crucero,
descenso, aterrizaje, alertas de tripulación; mantenimiento y otras funciones
operativas en el contexto de sus evaluaciones de seguridad. Además del vuelo o
de los modos de funcionamiento, el desarrollador del sistema IMA debe tener en
cuenta los distintos estados de operación dentro de estas modalidades, tales
como la inicialización del sistema IMA, el funcionamiento normal,
funcionamiento degradado y el apagado. Al considerar estos modos o estados
de funcionamiento. Determinados compromisos tienen que ser declarados
entre los módulos o componentes del sistema IMA que requieren un manejo
adecuado de las diversas funciones que desarrolla el sistema.
Comportamiento.
El comportamiento general del sistema bajo ciertos escenarios debe ser
diseñado en el sistema. Puede haber tareas alternativas o vías de comunicación
empleadas, o puede haber propiedades impuestas a los datos por las
aplicaciones. La secuencia de eventos y compromisos de sincronización deben
33
ser documentadas, y el comportamiento del sistema en varios modos y estados
debe estar diseñado y verificado.
Rendimiento.
El proveedor de plataforma define muchos de los parámetros de rendimiento del
sistema IMA. Características tales como el CPU y la velocidad del reloj asociada;
capacidad de procesamiento de punto flotante; unidades de gestión de memoria
(MMU); temporizadores, retrasos, tipos de memoria y sus tiempos de acceso
asociados, son todos parte de la definición del rendimiento del sistema IMA. Los
compromisos de desempeño son fundamentales para el buen funcionamiento
general del sistema IMA.[2]
CAPITULO 4. Características de la Aviónica Modular Integrada.
4.1 Siguiente generación de plataformas de aviónica.
Sistemas de Aviónica Modular Integrada (IMA) han traído consigo una
transformación significativa en el área de tecnologías de la plataforma de
aviónica. Esta tecnología ha sido adoptada en el Airbus 380, Boeing 787 y
algunas aeronaves militares, y será el estándar de todos los programas de las
aeronaves en el futuro. Evolucionando la tradicional arquitectura aislada de la
vieja generación de sistemas de aviónica, IMA continua desarrollando la
siguiente generación, conocida como la Electrónica Modular Distribuida.
Arquitecturas aisladas dividen la implementación de las funciones de aviónica
dentro de LRUs separadas. Esto no sólo lleva a una carga de un gran número de
las LRU, incluye hardware redundante para cada subsistema, pero también
aumenta el número de interconexiones de datos y el cableado, la potencia y el
consumo de espacio, la disipación de calor y el peso. El mantenimiento de estos
equipos y almacenamiento de repuestos también son una carga financiera y
operativa a las líneas aéreas.
34
La especificación de aviónica ARINC 653, define el estándar para el concepto
IMA. Esta tecnología promueve el intercambio de los recursos informáticos y de
entradas y salidas con una arquitectura que es óptima, ya que varias funciones
de aviónica ahora se pueden integrar en el mismo hardware. Cuenta con un
sistema con particiones de memoria donde se instalan los procesos de
aplicación de aviónica y un trasporte basado en mensajes (a través de ARINC
664 de red), proporciona las interfaces de comunicación entre los procesos
dentro de una partición y también a través de las particiones y módulos de
hardware. Puesto que el aislamiento espacial es proporcionado por un espacio
de memoria particionada, las funciones de aviónica son aisladas unas de otras
previniendo la propagación de fallas. La separación espacial también es
compatible con las aplicaciones de los diferentes niveles críticos de seguridad de
diseño “Design Assurance Level” para ser alojados conjuntamente en el mismo
módulo de hardware y simplifica el esfuerzo de certificación. Funciones de la
cabina se pueden clasificar en tres niveles críticos de seguridad diferentes, que
pueden estar todos alojados en el mismo módulo de hardware pero en
particiones de memoria separadas y por lo tanto pueden ser certificados por
separado. Un ejemplo es listado a continuación:
a. Críticamente Bajo (Nivel E) – Entretenimiento de los pasajeros
relacionados.
b. Críticamente Medio (Nivel C, D) - Tal como sistema de interfaz de la
tripulación.
c. Críticamente Alto (Nivel B) – Sistemas de emergencia tal como detección
de humo y sistemas de extinción de fuego.
35
Figura 14. Boeing 787
Imagen del B787 e imagen del FMS (Flight Management System)
El software de la plataforma IMA también implementa mecanismos de
programación que proporcionan separación temporal. Una aplicación ejecutiva
(APEX) API (según ARINC 653) permite la portabilidad y reduce el impacto de la
obsolescencia frente a la rápida evolución del hardware.
En vista de la nueva arquitectura de la plataforma de aviónica, la industria se
divide en tres funciones interdependientes como se menciona a continuación:
1. Proveedores de la plataforma que construyen los módulos de hardware y
el software de la plataforma IMA.
36
2. Los desarrolladores de aplicaciones que crean aplicaciones para los
subsistemas específicos.
3. Los integradores de sistemas que ponen estos juntos y controlan la
configuración del sistema.
Aunque las API “Advanced Passenger Information” ARINC describen los detalles
de la interfaz de plataforma, los desarrolladores de aplicaciones necesitan el
desarrollo de plataformas y herramientas de depuración para el entorno
particionado. También dependen de la integración de sistemas para la aplicación
de las limitaciones de tiempo y los requisitos de memoria. Un simulador de
plataforma para pruebas funcionales y de verificación será de gran utilidad para
la comunidad de desarrolladores. Con el desarrollo basado en modelos, la
generación de código y la reutilización de código a través de la comunidad de
desarrolladores de aplicaciones, se puede lograr una mejor calidad de los
productos a un costo más bajo y tiempo.
Siguiente generación IMA: El concepto IMA sigue evolucionando, pero hay
varias cuestiones que abordar antes de adoptar nuevas características y
mejoras.
Dinámicas de reconfiguración. Las actuales plataformas IMA tienen
configuraciones preestablecidas estáticas, por ejemplo, la partición de datos,
datos de aplicación, los datos de programación, definiciones de puertos de
interfaz, etc.
La reconfiguración dinámica en vuelo puede alcanzar la tolerancia a fallos y la
disponibilidad del sistema.
4.2 Hacia la capacidad de reconfiguración.
Las arquitecturas IMA se han definido por diseñar plataformas de aviónica, las
cuales comparten recursos de comunicación y de cálculo de acuerdo con los dos
estándares ARINC 653 y ARINC 664; estas dos normas imponen asignaciones
estáticas y fijas. Sin embargo, podría ser interesante, en el caso de un fallo de
37
hardware, por ejemplo; poder volver a configurar el sistema, lo que significa
reasignación de funciones a los módulos de seguridad. Para cumplir este
objetivo, la próxima generación de plataformas IMA incluirán capacidad de
reconfiguración con el fin de limitar el efecto de los fallos de hardware en la
confiabilidad operacional de la aeronave. Tal capacidad de reconfiguración es
uno de los próximos grandes retos para las arquitecturas de aviónica.
Onera, Thales y Airbus, han explorado el tema de reconfiguración de las
arquitecturas de IMA en el proyecto Europeo SCARLETT 2.[1]
4.3 Hacia una Arquitectura Reconfigurable.
Una arquitectura reconfigurable IMA debe ser capaz de cambiar la configuración
de la plataforma moviendo aplicaciones alojadas en un módulo de computación
defectuoso a módulos de repuesto, un ejemplo de reconfiguración se muestra
en la figura.
a) Configuración inicial. b) configuración después de perder el módulo M1
Figura15. Ejemplo de Reconfiguración.
Tomando como ejemplo la figura anterior, la plataforma está compuesta por
cinco módulos (M1,…, M5) y dos switches de comunicación (S1, S2). La
38
configuración inicial: El módulo 5 (M5), en la figura a), es inicialmente un
repuesto, cerrado y libre de aplicación (de color blanco en la imagen). Si alguna
falla ocurre en el módulo M1 entonces las aplicaciones inicialmente alojados en
este módulo se pueden reconfigurar en el repuesto M5 y todas las
comunicaciones de M1 (VL1, VL2) tienen que ser re direccionadas de acuerdo a
esta nueva asignación. La configuración obtenida es mostrada en la figura b).
Los principales objetivos a alcanzar por la plataforma reconfigurable IMA son:
- Mejorar la seguridad de funcionamiento de la aeronave, preservando los
actuales niveles de seguridad.
- Evitar mantenimiento no programado y los costos asociados.
- Limitar el impacto de la reconfiguración en el trabajo de certificación.[1]
4.4 Limitaciones y principios de reconfiguración.
De acuerdo con las normas para IMA, varias funciones están disponibles con el
fin de administrar la plataforma, que incluyen:
Función de carga de datos, la cual almacena toda la función del software
de aplicación y carga del software de acuerdo con la asignación de
aplicaciones en los módulos informáticos.
Función de Monitoreo y detección de fallas, que recibe constantemente
información sobre el estado de los componentes de hardware y es capaz
de detectar un componente si está defectuoso.
Función de Administración de Suministro de Energía, que es capaz de
encender y apagar el suministro de energía de diversos componentes de
hardware en la plataforma.
Para propósitos de reconfiguración, una nueva función, llamada Supervisor de
Reconfiguración es necesaria añadir. El papel del supervisor consiste en
determinar cuándo se puede producir una reconfiguración con el fin de alcanzar
un mejor y seguro estado. El comportamiento del supervisor se describe a
continuación:
39
1. Activación de una reconfiguración.
Cuando falla un módulo de computación, una reconfiguración puede ser puesta
en marcha, si este fallo tiene un impacto de fiabilidad en el funcionamiento, lo
que significa que la aeronave se convierte en NO GO. La función de monitoreo y
detección de fallos detecta un fallo del módulo NO GO y envía este evento para
el supervisor. En primer lugar, el supervisor aplica el procedimiento de
mantenimiento habitual para comprobar que el fallo no se puede reparar con un
simple reinicio en el módulo. Para ello, interactúa con la Administración de
Suministro de Energía y con la Detección y Monitoreo de Fallos para comprobar
si la re inicialización ha reparado el módulo. Si el reinicio funciona entonces el
módulo reinicia las aplicaciones de aviónica alojadas y la falla se corrige, de lo
contrario el supervisor realiza los siguientes pasos:
2. Selección de una correcta Reconfiguración.
Cuando se confirma el fallo, el supervisor debe determinar el estado actual de la
plataforma con el fin de seleccionar la siguiente configuración. La clasificación
tiene en cuenta el efecto secundario en los aviones y la duración de la ejecución
de reconfiguración.
3. Ejecución de la reconfiguración.
Si se ha encontrado una transición correcta, con respecto a las limitaciones de
aviónica y la política de reconfiguración, se lleva a cabo la reconfiguración.[1]
4.5 CPUS MULTI-NÚCLEO.
Los actuales sistemas de IMA han sido diseñados para funcionar con
procesadores de un solo núcleo. Con la aparición de los procesadores
multi-núcleo, los procesadores de un solo núcleo quedarán obsoletos en un
futuro próximo. Para que los sistemas actuales de IMA trabajen con
procesadores multi-núcleo, tienen que ser consideradas varias cuestiones
40
relacionadas con el tiempo y la memoria caché del CPU en el software de la
plataforma.
Para la migración de aplicaciones desde las arquitecturas aisladas a IMA, se
tendrá que considerar la fusión de todas las aplicaciones individuales, las cuales
se ejecutan en hardware separado e implementar la interfaz ARINC 653 APEX.
La migración también debe considerar los efectos de un entorno particionado y
arquitectura de puertos de entrada y salidas sobre una aplicación de estado
latente y eficiencia de los puertos de entrada y salida.
4.6 Descripción y Principios fundamentales.
Recursos compartidos y partición robusta son las ideas centrales del concepto
IMA. Están basadas en dos estándares: ARINC 653, que define los principios
de partición en los módulos de procesamiento, y ARINC 664 que define los
principios de partición para la comunicación entre funciones.
4.7 Generalidades ARINC 653.
ARINC 653 es un estándar desarrollado para sistemas de aviación, el cual
especifica un entorno operativo de línea base para el software de aplicación,
utilizado en el dominio del sistema IMA. ARINC 653 ofrece una aplicación de
interfaz ejecutiva de propósito general (APEX), entre el sistema operativo en
tiempo real (RTOS) como recurso de equipo de aviónica y el software de
aplicación. Se incluyen dentro de esta especificación los requisitos de la interfaz
entre el software de aplicación y el RTOS, además de la lista de servicios que
permite que el software de aplicación, solicite la programación, así como
comunicación e información del estatus de sus elementos y procesamiento
interno. ARINC 653 en su mayor parte describe el entorno de ejecución para el
software integrado de aviónica y como tal, especifica los métodos o enfoques
para la asignación y gestión de los recursos compartidos. Desde la publicación
de ARINC 653 en 1997, el comité ARINC 653 ha publicado extensiones parte 2 y
parte 3. La Figura 16 proporciona las generalidades de alto nivel de la
arquitectura ARINC 653.[2]
41
Figura 16. Arquitectura básica ARINC 653.
4.8 Componentes de Hardware.
Cualquier sistema informático tiene un conjunto de componentes de hardware
en el que el procesamiento puede operar. Hay varias responsabilidades básicas
realizadas sobre el hardware. Estas son los compromisos adquiridos por la
plataforma que proporciona para satisfacer las necesidades del sistema IMA:
- El procesador debe proporcionar suficiente capacidad de procesamiento
para satisfacer los requisitos de tiempo de cada aplicación.
- El procesador debe tener acceso y proporcionar dispositivos de entrada y
salida de datos y suficientes recursos de memoria.
- El procesador debe tener acceso a los recursos de tiempo para permitir el
intercambio de ciclos del CPU concordando en tiempos.
42
- El procesador debe proporcionar un mecanismo para la RTOS para tomar
el control si una aplicación intenta realizar una operación que no es válida
para una aplicación específica.
Las operaciones válidas son internas a una aplicación, o pueden cruzar la
frontera entre una aplicación y los módulos o componentes con los que
interactúan. Si cruzan la frontera, las interacciones deben ser identificadas,
acordadas y verificadas. Ellas forman un conjunto de compromisos que el
proveedor de aplicación debe transmitir al integrador del sistema IMA,
proveedor de plataforma, y proveedor RTOS.[2]
4.9 Programación.
ARINC 653 permite que las aplicaciones se asignen a una o más particiones. La
especificación describe cómo la funcionalidad del sistema, se puede realizar a
través de la gestión de particiones (definición de atributos, control de partición,
y su programación), usando tablas de configuración. Las características de las
particiones; interacciones, tiempo y sus necesidades de recursos se pueden
especificar. Después de la descripción de la configuración se carga y procesa. El
RTOS proporciona soporte a ARINC 653, mediante la asignación de memoria
para las particiones del sistema, la creación de estructuras de protección de
memoria y la asignación de otros recursos del sistema.
El RTOS programa las particiones ejecutándolas en una secuencia repetitiva
como se especifica en una tabla de programación suministrada por el sistema
integrador IMA. El suplemento 2 de ARINC 653 permite varias programaciones
para usar. Solo una programación esta activa en cualquier momento, y el
cambio de programación puede ocurrir siempre que exista una capacidad de
modo de conmutación. El cambio de programación en este sentido está
esencialmente en transición a diferentes modos de funcionamiento que han
sido previamente diseñados y verificados. [2]
43
4.10 Partición del Módulo de Procesamiento.
De acuerdo a los principios de ARINC 653, funciones de diferentes aplicaciones
residentes en un módulo de procesamiento se dividen con respecto al espacio
(recursos de partición) y tiempo (partición temporal).
Recursos de partición.
Cada partición se le asigna un conjunto de recursos especiales (memoria,
memoria no inestable; recursos IO etc.) en una manera estática, es decir, que
el módulo integrador tiene la tarea de asignar los recursos máximos permitidos
para cada partición, respetando la segregación de espacio entre ellos.
Partición temporal.
La programación de las funciones de cada módulo se define fuera de línea, por
una secuencia periódica de lapsos de tiempo organizadas estáticamente, en un
marco de tiempo llamado el Período de Tiempo Mayor (MAF). A cada función se
asigna un lapso de tiempo para su ejecución. Al final de este intervalo de
tiempo, la partición se suspende y la ejecución se da a otra función (desde otra
aplicación). Así, cada función se ejecuta periódicamente en tiempos fijos.
4.11 Comunicación de partición.
La comunicación entre particiones está basada en mensajes para proporcionar
aislamiento de las dependencias de partición fija. Cada partición puede crear
puertos lógicos. El integrador del sistema IMA, en el registro de configuración
que conecta los puertos, especifica los canales de comunicación. Los mensajes
se escriben y se leen de los puertos por los procesos (tareas) dentro de las
particiones. Los mensajes entre las particiones pueden ser manejados usando
varias arquitecturas. Hardware especial, como un bus de datos de
comunicaciones, puede proporcionar la comunicación entre particiones, o el
núcleo RTOS puede proporcionar mecanismos de transferencia de mensajes
protegidos mediante la copia de datos entre las posiciones de memoria. Tales
arquitecturas pueden imponer un comportamiento muy diferente en el sistema
44
y el RTOS debe acomodarlos proporcionando las reglas que cumplen con la
especificación ARINC 653. Los mensajes pueden ser de longitud fija o variable y
se pueden enviar de forma periódica o aperiódica. Al permitir conexiones
individuales o múltiples en los puertos, los mensajes pueden ser de difusión
única entre dos particiones o de difusión a varias particiones como una
extensión de ARINC 653. El mecanismo para la transferencia de datos se apoya
en dos modos diferentes: muestreo, donde se sobrescriben los datos del
mensaje transmitido y se pone en cola, donde los datos del mensaje transmitido
son únicos en esa instancia de tiempo y debe ponerse en cola para que la
información no se pierda. Los puertos tienen atributos (identificador de la
partición, el nombre del puerto; modo / dirección de la transferencia y de los
mensajes, almacenamiento y requisitos de asignación) que deben ser
establecidos por el RTOS para una adecuada comunicación.[2]
4.12 Partición de recursos de comunicación.
ARINC 664 describe el manejo de los recursos de comunicación. Los flujos de
comunicación están estáticamente segregados en enlaces virtuales (Virtual
Links “VL”). Cada VL está dedicado a una sola función e implementa un
moldeador de tráfico. Se caracteriza por un espacio de asignación de banda
ancha (Bandwidth Allocation Gap “BAG”), es decir, el intervalo de tiempo
mínimo que separa dos mensajes sucesivos en el VL. Este principio ha sido
implementado en la arquitectura “Avionics Full Duplex Ethernet” (AFDX). AFDX
constituye uno de los principales avances tecnológicos en la aviónica del A380.
El estándar AFDX define las especificaciones eléctricas y el protocolo para el
intercambio de datos entre los subsistemas de aviónica. Mil veces más rápido
que el bus ARINC 429.
Una plataforma típica de IMA se describe en la figura. La arquitectura de su
hardware consiste de un conjunto de módulos de procesamiento de computo
(llamados Computing Processing Modules) CPM que están conectados a switches
de comunicación ARINC 664. Los CPM se agrupan en racimos para que todos los
45
CPM en un racimo estén conectados al mismo switch de comunicación. Las
aplicaciones de aviónica (nombradas A1 a A3 en CPM1, B1 a B3 con CPM2, etc.)
se alojan en las particiones que se ejecutan en los módulos informáticos. Los
flujos de datos intercambiados entre las aplicaciones alojadas en diferentes
módulos informáticos se transmiten a través de caminos de interruptores de
comunicación que conectan los dos módulos informáticos.
Figura 17. Arquitectura típica IMA.
Los dos estándares ARINC 653 y 664 globalmente definen el concepto IMA que
ha sido implementado en el Airbus A380 y Boeing B787.[1]
4.13 Monitoreo de Estado.
El supervisor de estado es responsable de identificar la función RTOS, responder
y presentar informes de hardware, aplicaciones, faltas y fallas RTOS. El
Monitoreo de Estado ayuda a aislar las fallas y evita que se propaguen. Para la
clasificación y categorización de los fallos y el manejo de respuestas de estado,
existe un abanico de posibilidades que ayuda al proveedor de la aplicación y al
46
integrador del sistema IMA seleccionar el comportamiento apropiado. Tablas de
configuración se utilizan para describir la recuperación prevista de fallos
identificados, como ignorar el error, reinicializar un proceso, reiniciar una
partición, realizar un reinicio total del sistema o llamar a una rutina especificada
por el sistema para tomar las acciones específicas para el sistema.[2]
4.14 Arquitecturas Alternas.
Existen otros conceptos arquitectónicos que difieren del ARINC 653. La
dificultad en la discusión de las arquitecturas del sistema IMA es la naturaleza
general de estos sistemas. Un sistema IMA puede implementarse como una
unidad reemplazable en línea única (LRU) o una configuración compleja que
representa una red de sistemas. El alcance de las arquitecturas discutidas aquí
se limitará a las primeras etapas de integración. Esta discusión también se
basará en los conceptos arquitectónicos con respecto al flujo de información. La
información puede fluir en una variedad de formas entre las particiones.
Compartir la memoria física entre particiones.
Comunicaciones de mensajes entre particiones.
Comunicaciones del bus de datos entre particiones.[2]
4.15 Etapas de Integración.
La amplia gama de puntos de vista sobre lo que un sistema IMA es
precisamente, presenta dificultades en la discusión de sistemas IMA y los pasos
de la integración del sistema. Un sistema IMA puede variar de una plataforma
de hardware simple y el software operativo asociado a un sistema complejo de
sistemas, en los que cada sistema puede contener un gran número de
funciones. Para el alcance correcto de esta amplia gama de puntos de vista del
sistema IMA, etapas de integración del desarrollo del sistema IMA que crecen
cada vez más en funcionalidad y complejidad.[2]
47
La figura , muestra una visión general de las etapas de integración de
desarrollo de sistemas IMA.
1-Integración de componentes / módulos para formar una plataforma.
2 - Integración de una aplicación única con una plataforma.
3 - Integración de múltiples aplicaciones con una plataforma.
4 - Integración de múltiples plataformas en un sistema IMA.
5 - Integración de sistema(s) IMA en el avión (integración a nivel de aviones).
Figura 18. Vista de integración de las etapas de desarrollo de un sistema IMA.
48
En cada etapa, los compromisos y el cumplimiento de crédito deben ser
transportados de manera efectiva entre todas las partes interesadas, según la
definición de DO-297: plataforma, proveedores de módulos, proveedor de
aplicaciones; integrador de sistemas IMA; solicitante de la certificación;
organización de mantenimiento y la autoridad de certificación. Debido a que los
RTOSs se pueden comprar fuera de la plataforma y son fundamentales para el
funcionamiento adecuado del sistema IMA, se ha añadido una función de
proveedores RTOS.[2]
4.16 Certificación Modular.
Los costos de certificación de un proyecto de software de acuerdo a DO-178B
son duplicados en contraste a un proyecto común de software. El concepto de
Certificación Modular enfoca este problema con la posibilidad de dividir la
certificación en varias partes.
A diferencia del enfoque actual, que aprueba solamente sistemas completos, La
Certificación Modular verifica el completo desarrollo de partes individuales y su
integración dentro del sistema completo. Esto proporciona un enfoque de
certificación basado en el módulo. El sistema es dividido en módulos
individuales que son certificados. Las ventajas de este enfoque son: un
desarrollador de módulos quien solo tiene que preocuparse por un módulo
individual y sus interfaces pero no de todo el sistema y su certificación por un
lado, y por el otro, que los módulos ya desarrollados, incluyendo sus pruebas de
certificación, se pueden volver a usar.
Usando el concepto IMA nombrado antes, la Certificación Modular permite el
desarrollo y certificación independiente de los componentes software y
hardware de los que consiste una plataforma. Solamente la integración tiene
que certificarse adicionalmente, pero los módulos pueden ser intercambiados
49
sin la necesidad de una completa recertificación del sistema. Esto permite
reducir los costos de certificación después del segundo uso del módulo.
Figura 19. Receptores Multimodo Rockwell Collins(MMR).
Receptores multimodo Rockwell Collins(MMR) son diseñados para cumplir con 10-8y10-
9requisitos de integridad para las operaciones criticas de vuelo, independientemente
del modo seleccionado ILS, MLS, GLS o GPS. El diseño MMR de Collins también es el
primero que está total mente integrado en los sistemas de navegación y aterrizaje.
El MMR de Collins instalado con ILS, VOR,GPS Y GLS fue completamente integrado
dentro de las aeronaves para reemplazar la aproximación ILS/VOR y el sistema de
aterrizaje. La aeronave después fue certificada para VOR e ILS CAT IIIA. Después el
software ILS fue incorporado y la precisión de la función de aterrizaje fue certificada
operacionalmente.
4.17 IMA en el A380.
El concepto Aviónica Modular Integrada (IMA), que reemplaza numerosos
procesadores separados y unidades reemplazables en línea (LRUs), con menos
unidades de procesamiento y más centralizadas, está prometiendo de manera
50
significante la reducción de peso y ahorros en mantenimiento en la nueva
generación de aviones comerciales.
Mediante el uso del enfoque IMA, Boeing es capaz de reducir 2000 libras en
cuanto a aviónica en el nuevo 787 Dreamliner. Por su parte Airbus reduce a la
mitad los números de parte de unidades con procesador de la nueva aviónica
con su enfoque IMA.
No son sólo los módulos propios de IMA, y reducir el número de las LRU. IMA
trae una red más eficiente para el avión. Desde un punto de vista aéreo, menos
tipos y variedades de piezas de repuesto deben impulsar una mayor fiabilidad, y
por lo tanto menos mantenimiento.
Algunos creen que el concepto de IMA se originó en los Estados Unidos con los
nuevos F-22 y F-35 fighters y luego emigró a el campo de la aviación comercial.
Otros dicen que el concepto de aviónica modular con menos integración, ha sido
usada en jets de negocio y aerolíneas regionales desde finales de los 80s o
principios de los 90s. El concepto también se ve en el lado militar en el KC-135
y C-130, así como en el nuevo Airbus A400M.
Figura 20. FMC (Flight Warning Computer) del A400M
Pero independientemente de donde comenzó, IMA es la tendencia del futuro,
debido a las economías en el ahorro de combustible derivado de menor peso y
menores costos de mantenimiento. También ofrece una arquitectura abierta que
51
permite el uso de software común, lo que hace que las mejoras y los cambios
sean más baratos y más fáciles de lograr.
Un operador IMA puede mejorar el software sin tener que mejorar el hardware,
y viceversa.
El uso de elementos comunes en los diferentes módulos de computadora hace
que el mantenimiento del equipo sea menos costoso. Dado que la misma parte
(o tarjeta) se puede utilizar en cualquiera de los ordenadores de IMA, el
inventario en el taller es más pequeño. La ventaja es un mantenimiento menos
caro.[6]
La llave de la aviónica del B787, la cual Boeing desarrolló con socios como
Smiths Aerospace, Rockwell Collins y Honeywell, es un sistema de cómputo
central que Boeing llama; Sistema de Núcleo Común (Common Core System
CCS), el cual eliminó más de 100 diferentes LRUs.
El A380 Súper Jumbo, que promociona 15 a 20 por ciento costos más bajos de
operación que aviones anteriores, aplica el concepto IMA con computadoras
capaces de albergar diferentes funciones y una aviónica modular integrada
conectada por una red. Este enfoque difiere del sistema de cómputo central del
787 de Boeing, ya que no se basa en una sola (o dos) computadoras o un
procesador central para ejecutar la mayoría de los sistemas de la aeronave.
El enfoque IMA del A380 se basa en 8 módulos de procesamiento, algunos
adaptados para aplicaciones específicas, pero todos atados juntos por un
Avionics Full-Duplex común conmutado de Ethernet (AFDX), estándar de red
ARINC 664. De los 7 equipos hay 3-MCU, módulos de entrada/salida de
procesamiento principal (CPIOM), el octavo es un módulo de entrada/salida
(OIM).
Aunque los ordenadores Airbus IMA tienen ocho números de parte diferente, las
tarjetas de memoria y la fuente de alimentación son comunes a todos los
equipos. Solamente la tarjeta de entrada/salida es diferente, dependiendo el
tipo de sistema y la interfaz de la computadora.
El uso de un sistema de procesamiento central no es la forma en que se ha
seguido en el A380.Hay siete COPIOMs haciendo diferentes tipos de funciones.
52
Se ha decidido desarrollar lo que se llama Open IMA, algunos recursos de
cómputo en los cuales se puede tener diferentes funciones almacenadas.
Los tres dominios funcionales en el A380 son: cabina de pilotos (controles de
vuelo eléctrico, comunicaciones y alarmas); cabina de pasajeros (aire
acondicionado y neumático); y algunas funciones útiles que incluyen: energía,
funciones de combustible y funciones de tren de aterrizaje.
Hay 30 módulos reemplazables en línea, todos cajas 3-MCU, asociados con la
plataforma IMA, y 22 funciones alojadas en los COPIOMs.
France’s Thales y Airbus Avionique, están proporcionando CPIOMs. Algunos
proveedores ofrecen 11 funciones de software alojados dentro de IMA, que van
desde las comunicaciones hasta la extensión y retracción del tren de aterrizaje.
Estos incluyen Fairchild Controls (neumático), Parker Aerospace (aplicaciones de
combustible) y Hamilton Sundstrand (aire acondicionado).
El Papel de Rockwell Collins en el A380 se diferencia del papel que tiene en el
Boeing 787, donde actúa como integrador de red para la red de datos común de
este último. Rockwell Collins contrata directamente con Airbus para
proporcionar la red en el A380 y Airbus está integrando la parte de cálculo de
IMA con la red. Para el A380, Rockwell Collins proporciona software de
aplicaciones de enlace de datos - un "router" para las funciones de control
operacional de la línea aérea (AOC) - Alojado en la plataforma IMA y se utiliza
para las comunicaciones entre la aeronave y el centro de operaciones de red de
la aerolínea.
La función AOC esta almacenada en la IMA, pero al igual que en cualquier
ACARS (Aircraft Communications Addressing and Reporting System), se puede
adaptar para una aplicación específica de la línea aérea.
Los proveedores también están proporcionando sistemas no alojados en la IMA.
Honeywell está proporcionando el software de manejo de vuelo del A380, que
53
tiene su propia computadora, y el sistema de vigilancia ambiental abordo,
combinando el radar meteorológico de la compañía RDR-4000, transponder,
TCAS (Traffic Alert Collision Avoidance System), y el Sistema de Alerta de
Proximidad a Tierra Mejorado. El sistema representa una reducción del 50% de
volumen y un 40% de peso del anterior equipo de vigilancia aislado.
A través de su grupo de soporte y servicios IMA, Airbus está proporcionando al
cliente un soporte de tipo proveedor para la plataforma integrada. Al igual que
un proveedor ofrece capacitación sobre las LRU clásicas, proporciona
capacitación que incluye hardware, así como el software que está alojado en el
hardware.
El apoyo incluye repuestos y un programa de capacitación para los técnicos de
reparación que ofrecen instrucción y familiarización con IMA, mantenimiento de
taller y formación de ingeniería y mantenimiento.[4]
54
Figura 21. Componentes de aviónica del AIRBUS A380
4.18 Integración AMI en el B787.
En un cambio de filosofía, Boeing está dando a sus proveedores más
responsabilidad de integración para el sistema de paquetes del B787
Dreamliner.
Smiths proporciona el Sistemas de Núcleo Común (Common Core System CCS),
que se compone de módulos de procesamientos generales y concentradores de
datos remotos que reemplazan el cableado tradicional con dispositivos de I/O
que concentran señales analógicas y digitales de los sensores remotos y las
envían en la red para los módulos de procesamiento.
55
Una red común de datos de Rockwell Collins, que es una Ethernet de fibra
óptica conecta todos los sistemas que necesitan comunicarse con el CCS. Esta
consiste de conmutadores externos usando el protocolo estándar ARINC 664.
Los procesadores utilizan un sistema operativo ARINC 653-compatible
suministrado por Wind River Systems, Alameda, Calif.
Esta arquitectura abierta permite que todo el enfoque IMA vaya hacia adelante.
Si es necesario hacer cambios o mejoras, "Boeing, o el desarrollador de la
plataforma puede seleccionar otros proveedores para proporcionar funciones y
minimizar el impacto financiero y la complejidad de la integración de estas
aplicaciones. Smiths está entregando el hardware del B787 de Boeing, para el
uso en sus servicios de integración, pero también con los proveedores
seleccionados de Boeing para proporcionar aplicaciones y funciones mediante el
IMA. Los proveedores están integrando sus aplicaciones en el hardware de
Smiths para su entrega a Boeing.
Smiths está tomando productos, tecnologías y herramientas que en
particularse han desarrollado en los 787 y otros programas, como el C-130 con
su AMP (Programa de Modernización de la aviónica) y el Boeing 767 cisterna. En
la próxima generación de IMA para una serie de clientes comerciales, así como
algunas oportunidades militares.
Rockwell Collins está proporcionando el sistema de comunicaciones del B787 y
el Sistema de Vigilancia Integrado Configurable (CISS). El CISS combina el
sistema de la compañía MultiScan de detección automática de riesgo
meteorológico, transpondedores Modo S, TCAS y el Terrain Awareness Warning
System en un sistema único, que Rockwell Collins. Utiliza 40 % menos de
piezas que los sistemas de las aeronaves tradicionales aisladas.
Rockwell Collins es también el que suministra el sistema de pantallas en la
cabina del B787, que incluye sus pantallas frontales duales como equipo
estándar. La compañía está ofreciendo el gabinete de red de núcleo, una
56
plataforma para aplicaciones tanto de la cabina de pasajeros como la cabina de
vuelo, además gestiona el flujo de información a bordo para mejorar la
eficiencia de las operaciones aéreas.
Como proveedor de los controles de la cabina de pilotos del B787, Rockwell
Collins entregó el primer sistema totalmente operativo a Boeing para desarrollar
un vehículo de prueba integrado. Los controles de la cabina de pilotos incluyen
interfaces con el sistema de control de vuelo fly-by-wire de la aeronave.
Honeywell proporciona el software del sistema de gestión de vuelo que reside
en el sistema IMA del B787 como parte de su componente de navegación, que
también incluye su unidad de referencia inercial de datos del aire y el receptor
GPS multimodo.
El sistema de mantenimiento/información de tripulación de Honeywell
evolucionó a partir de las funciones de la informática central de mantenimiento
y monitoreo del estado de la aeronave del Boeing 777.
El sistema de Administración de la Aeronave del Boeing 777 pudo haber sido la
primera implementación actual de implementación IMA, en la aviación
comercial. Honeywell también ofrece el paquete de control de vuelo para el
sistema del B787 fly-by-wire.[4]
57
Figura 22. Ejemplo de aeronave más avanzada en cuanto IMA.
El sistema más avanzado de Aviónica Modular Integrada es el Common Core System (CCS)
proporcionado por GE Aviation para el Boeing 787. Se ejecutan más de 70 aplicaciones separadas
a diferentes niveles de seguridad. Esta arquitectura permitió a Boeing eliminar más de 100 LRUs
en esta aeronave.
CAPITULO 5. Aviónica Modular Integrada Distribuida.
5.1 Aviónica Modular Integrada (Distribuida).
El concepto de Aviónica Modular Integrada (Distribuida) trabaja con una
estructura modular de software y componentes de hardware que son
independientemente desarrollados y certificados. A diferencia de IMA, los
58
módulos IMA Distribuida están dispersos por toda la aeronave y conectados por
un sistema de comunicación.
La composición de estos módulos distribuidos crea funciones de aviónica que
permiten interactuar el uno con el otro. Este enfoque proporciona más
flexibilidad para el diseñador del sistema, reduciendo costos de producción,
trabajo de mantenimiento y permite la reutilización de los módulos ya creados,
pero también crea un conjunto de nuevos problemas de diseño en las
aplicaciones aeroespaciales.
Uno de los mayores problemas es garantizar que diferentes funciones de la
aeronave no se afecten entre estas. Para asegurar esto, una plataforma
distribuida subyacente es necesaria, que suministre los servicios requeridos y
maneje el intercambio de datos entre aplicaciones.
Otra restricción, es la integración de los módulos pre certificados, que pueden
ser descendientes de diferentes fuentes y tener diferentes niveles de criticidad,
y que a su vez pueden ser certificados de acuerdo a sus requerimientos de
aeronavegabilidad. La Comisión Radiotécnica para la Aeronáutica (Radio
Technical Comission for Aeronautics RTCA) y la Organización Europea para
Equipo de Aviación Civil (European Organization for Civil Aviation Equipment
EUROCAE) abordaron estas demandas con el grupo de trabajo SC-200/WG60.
Este grupo de trabajo desarrolló una nueva pauta para el uso de los sistemas
IMA/DIMA, la DO/297, guía de desarrollo y certificación de la Aviónica Modular
Integrada “IMA”.
5.2 Ventajas Aviónica Modular Integrada Distribuida (DIMA).
Es un enfoque en el ámbito de IMA, con una importante enmienda. DIMA
combina las ventajas del concepto IMA y la aviónica aislada por medio de la
distribución física de los módulos integrados y conectados con un sistema de
comunicación tolerante a las fallas.
Las principales ventajas de este concepto son:
59
- La barrera natural de propagación de fallas y
- Las opciones de posicionamiento físico.
Como se acaba de mencionar, la aviónica aislada proporciona una barrera de
propagación de fallas natural por la distribución física de las funciones de la
aeronave. DIMA utiliza este enfoque mediante la distribución de las funciones
sobre la aeronave, pero esto no resuelve el problema de propagación de falla
completamente. Considerando el enfoque aislado, las funciones no son
enlazadas en contraste con DIMA. Por lo tanto, cuando se usa el concepto
DIMA, la barrera de propagación de fallas tiene que ser proporcionada en las
interfaces entre los módulos de la función, que quiere decir, que el sistema de
comunicación es responsable de proporcionar este tipo de propiedad.
La segunda ventaja principal es la posibilidad de posicionar las funciones cerca
de sus entradas y salidas. Además, unidades de concentración de datos remotos
pueden ser usadas para intercambio de entrada y salida de datos con la
siguiente unidad de procesamiento sobre un sistema de comunicación. Por la
estructura jerárquica del enfoque arquitectónico, la complejidad del cableado y
el sistema pueden ser reducidos, porque no todo usuario el sistema necesita ser
conectado directamente uno con otro. Además toda unidad de procesamiento
en el sistema puede ser usada para alojar funciones, porque los datos pueden
ser compartidos con cualquier otra función en el sistema. Esto reduce la
potencia total de procesamiento necesitada y por lo tanto el número de
unidades de hardware necesitadas.
Basada en estas ventajas, la arquitectura DIMA reduce peso, espacio y la
complejidad del sistema al tiempo que exige una tolerancia a fallos y un sistema
de comunicación de alta velocidad para conectar los módulos. Este sistema de
comunicación causa un esfuerzo adicional para el desarrollo de tal sistema.
Las arquitecturas integradas ya ofrecen ventajas en términos de reducción de
los recursos de hardware y cableado y por lo tanto tamaño reducido, espacio,
peso, consumo de potencia y restricciones de diseño. Pero acorde con el
enfoque de la Aviónica Modular Integrada Distribuida, las ventajas de las
60
arquitecturas aisladas e integradas pueden ser combinadas y reforzar a estas
ventajas aún más y apoyar a otras, como la colocación de la interfaz física en su
mejor posición natural y evitar los errores de causa común.
5.3 Sistema de Comunicación.
El sistema de comunicación es una parte integral de una arquitectura de
aviónica. Este conecta los recursos computacionales uno con el otro y permite
compartir datos.
Basado en esto hay varios requisitos para que el sistema de comunicación
pueda manejar la comunicación de una manera correcta. Antes que nada, tiene
que ser tolerante a fallas. Por lo tanto necesita tener un conjunto de canales
independientes para poder tolerar diferentes tipos de fallas.
Este enfoque de tolerancia a fallas también demanda apoyo de la respuesta de
módulos y datos. El mecanismo de manejo de datos de respuesta también se
debe hacer en el nivel de comunicación, en lugar de nivel de aplicación para
aumentar la potencia de procesamiento disponible para las aplicaciones o para
utilizar procesadores más baratos para la reducción de los costos.
Otro requisito para el sistema de comunicación es la distancia entre los
módulos. En los sistemas IMA, sólo puede ser un bus de panel posterior, por
ejemplo Safebus/Arinc 659 que es usado en el Boeing 777, que conecta
unidades de procesamiento dentro de una sola caja. En contraste, las
arquitecturas DIMA necesitan un sistema de comunicación que pueda manejas
distancias de hasta 40 metros. Por lo tanto hay diferentes requisitos físicos para
tal sistema de comunicación.
61
Figura 23. Compartimento de aviónica del Boeing 777.
En los sistemas de comunicación que conectan diferentes nodos en una
plataforma distribuida surgen dos clases durante la consideración, el núcleo y el
subsistema del sistema de comunicación. Basado en esta clasificación, varios
sistemas diferentes son evaluados y sus atributos y adecuación son
comparados. El resultado indica que la elección del sistema de comunicación
depende de los requisitos en términos de seguridad, flexibilidad y rendimiento
de las aplicaciones almacenadas. Después de elegir el sistema de comunicación,
62
varias partes principales de la arquitectura y sus nodos necesitan ser
especificados como los servicios proporcionados, el hardware usado, sistema
operativo y el apoyo de herramientas, si se necesita. Varias posibilidades
incluyendo diferentes sistemas operativos y su interacción deben ser
consideradas. Para cerrar los requisitos para una solución de plataforma
distribuida, las consideraciones de certificación se presentan, que permiten
reducir el desarrollo necesario y los esfuerzos de certificación. Los conceptos de
certificación modular. Los conceptos de certificación modular y procesos
optimizados discuten maneras de aumentar la eficiencia para la certificación de
una solución de este tipo de plataforma.
63
Conclusión.
El concepto Aviónica Modular Integrada (IMA), la cual reemplaza numerosos
procesadores separados y unidades reemplazables en línea (LRUs), con menos
unidades de procesamiento y más centralizadas, está prometiendo de manera
significante la reducción de peso y ahorros en mantenimiento, además de
incrementar su confiabilidad en la nueva generación de aviones comerciales.
Mediante el uso del enfoque IMA, Boeing ha sido capaz de reducir 2000 libras
en cuanto a aviónica en el nuevo 787 Dreamliner. Por su parte Airbus redujo un
50% a la mitad sus LRU’s con su enfoque IMA.
Este adelanto tecnológico permite crear aviones más confiables y eficientes,
conceptos muy importantes en un ambiente altamente competitivo como es la
aviación.
Las arquitecturas integradas ya proporcionan ventajas en términos de recursos
de hardware reducidos y cableado y por lo tanto se redujo peso, tamaño,
espacio, consumo de potencia y restricciones de diseño. Pero de acuerdo a el
enfoque de la aviónica modular distribuida (DIMA), las ventajas de las
arquitecturas aisladas e integradas pueden ser combinadas y así promover
estas ventajas, incluso más, y apoyar otras como la colocación de la interface
física en su mejor posición natural y la evasión de causa común de errores. Por
lo tanto se concluye que tal plataforma DIMA es la mejor opción para una
plataforma de aviónica.
64
Referencias.
[1] New Challenges for Future Avionic Architectures. P. Bieber, F. Boniol, M. Boyer, E. Noulard, C. Pagetti. Journal Aerospace Lab (Ultima fecha de consulta 21 de Enero del 2104). [2] Real-Time Operating Systems and Component Integration Considerations in Integrated Modular Avionics Systems Report. DOT/FAA/AR-07/39 Air Traffic Organization Operations Planning and Development Office of Aviation Research Washington, DC 20591, Federal Aviation Administration(Fecha de consulta Abril del 2014). [3] Introduction to Advanced Avionics. Advanced Avionics Handbook FAA. (Fecha de consulta 1 Junio 2014). [4] Integrated Modular Avionics: Less is More. AVIONICS Today. (Fecha de consulta Agosto del 2014). [5] A Distributed Platform for Integrated Modular Avionics. Ronald Wolfig. (Fecha de consulta Enero del 2014). [6] Department of Avionic Systems at Airbus. Deutschland GmbH Kreetslag 10, D-21129 Hamburg, Germany. (Fecha de consulta Mayo del 2014) [7] Open Integrated Modular Avionic (IMA): State of the Art and future Development Road Map at Airbus Deutschland”. Henning Butz. [8] https://sites.google.com/site/af447a330/calendar/airbus-avionics [9] http://www.airteamimages.com/boeing-777__-_110941_large.html [10] https://www.flickr.com/photos/26436024@N06/6853053865/ [11] http://www.avionicslcd.com/15_LCD_UXGA/15_LCD_screen_Panel_UXGA_1600x1200.htm
![INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL · Instituto Politécnico Nacional ÍNDICE [Escribir texto] INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/5e727d63eb19c64ebc38993a/instituto-politcnico-nacional-instituto-politcnico-nacional-ndice-escribir.jpg)
